Griselda Castruita de León (CIQA)
La tecnología de membranas hechas a base de polímeros sintéticos se ha convertido en una de las alternativas más prósperas desde los puntos de vista económico, técnico y ambiental para usarse en tratamientos de líquidos como aguas residuales, así como también en procesos de separación y purificación de gases de uso doméstico y de interés industrial.
El concepto de membrana se utiliza en la biología cuando se habla de membranas celulares en tejidos animales y vegetales, a través de las cuales se controla el transporte e intercambio de sustancias entre el medio interior y el exterior. Gracias a esta permeabilidad selectiva de sustancias, es posible que la célula lleve a cabo las funciones esenciales para que el organismo se mantenga vivo.
Es así que una membrana se define como una barrera semipermeable que separa los componentes de un fluido, permitiendo el paso selectivo de un determinado componente y limitando el paso de otro. Basado en este principio, el concepto de membrana se ha proyectado hacia el desarrollo de novedosos sistemas de separación selectiva de gases y vapores basados en materiales poliméricos sintéticos, donde los componentes del gas alimentado son separados en una corriente de gas permeado enriquecido con el gas que penetra más fácilmente a través de la membrana, mientras que los componentes menos penetrantes son retenidos.
El aprovechamiento de las propiedades de transporte de gases de los materiales poliméricos se ha visto reflejado en tecnologías de separación basadas en membranas que han sido implementadas con éxito en operaciones de las industrias química, petroquímica y energética.
Entre las aplicaciones comerciales más importantes, se encuentran la generación de nitrógeno, enriquecimiento de oxígeno, recuperación y purificación de hidrógeno y helio. Destacan principalmente aquellas utilizaciones que involucran la separación del dióxido de carbono, como en el caso del endulzamiento del gas natural y, más recientemente, para mejorar la calidad del biogás. Las crecientes demandas de energéticos limpios y el control de las emisiones de gases de efecto invernadero han sido los factores determinantes para que dicho mercado sea considerado el de mayor expansión a nivel mundial.
Diversos reportes científicos ponen de manifiesto las ventajas de esta tecnología como lo son su buen desempeño, simplicidad del proceso, ahorros energéticos y menor impacto ambiental. Es por eso que se han establecido numerosas plantas de separación basadas en membranas en distintas partes de América, Europa y Medio Oriente encaminadas al tratamiento del gas natural y biogás, y otros gases como helio, hidrógeno, etcétera, que se encargan de proveer a los distintos sectores consumidores.
Además, la flexibilidad de esta tecnología permite que pueda combinarse con otros procesos tradicionales de separación como absorción con aminas, criogenia o adsorción por oscilación de presión (PSA, por sus siglas en inglés) con la finalidad de incrementar la eficiencia de la separación y la tasa de recuperación de la sustancia deseada.
Uno de los sectores emergentes y con grandes posibilidades para la implementación de sistemas de purificación con membranas es el tratamiento del biogás que se obtiene a partir de desechos agrícolas y ganaderos. De esta manera, el biogás (compuesto de un 50-65% de metano y de 35-50% de dióxido de carbono y otros contaminantes en pequeñas cantidades) después de purificarse da como resultado la obtención de biometano, una fuente sustentable y sostenible de energía para generar calor y que también puede ser aprovechada para producir electricidad. No obstante, todavía falta camino por recorrer para que el proceso de purificación del biogás con membranas sea del todo rentable y competitivo con respecto a otros procesos disponibles y se pronostica que en los siguientes años tome mayor impulso.
En este contexto, es importante señalar que los reportes de inteligencia tecnológica indican que en nuestro país existen muy variadas fuentes potenciales para la producción de biogás como las granjas agrícolas, bovinas y porcinas, los rellenos sanitarios y las aguas residuales a partir de las cuales es posible incursionar de manera más activa en la producción de biogás, como una forma de garantizar el suministro de energía a nivel nacional y contribuir a la mitigación del cambio climático.
El desempeño de la membrana y la eficiencia de la separación de los gases dependen fundamentalmente del polímero con el que están hechas y de sus propiedades físicas y químicas. Varios polímeros han sido utilizados en membranas, destacando de manera significativa las poliimidas, polisulfonas, poliaramidas y acetatos de celulosa. Con la intención de obtener sistemas de membranas más avanzados que sean altamente selectivos y permeables, en la actualidad se siguen desarrollando otros derivados de las familias de polímeros antes mencionadas que exhiban características específicas y mejoradas, así como el diseño de nuevas estructuras poliméricas que permitan modular y ajustarse a las necesidades de los procesos de separación. Esto sin duda representa el reto constante al que se enfrenta la ciencia de membranas.
Diversos estudios recientes han reportado sobre el desarrollo de nuevas variantes de poliimidas, polibenzimidazoles funcionalizados y sistemas híbridos polímero-polímero o polímero-inorgánico que muestran un desempeño excepcional, con lo que se alcanzan permeabilidades muy altas y factores de separación bastante atractivos, superiores a los que exhiben las membranas comerciales para filtrar dióxido de carbono del metano, hidrógeno del metano, etcétera. Sin embargo, se siguen perfeccionando sus características para que su costo de producción y durabilidad sean interesantes para su comercialización.
En el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) nos hemos enfocado al diseño y la obtención de materiales poliméricos con características especiales para que puedan ser usados en la preparación de membranas, analizamos sus propiedades y les realizamos estudios a nivel laboratorio para determinar su capacidad de separar los gases. Especialmente, nos hemos enfocado en separaciones del dióxido de carbono de otros gases como el metano o el nitrógeno, las cuales puedan encontrar potencial aplicación en áreas de importancia nacional para la generación y mejor aprovechamiento de los recursos energéticos renovables y no renovables.
Autora
La doctora Griselda Castruita de León es Investigadora Conacyt-CIQA. Departamento de Materiales Avanzados. Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA). Correo de contacto: griselda.castruita@ciqa.edu.mx
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